Lithiumbatterien sind unverzichtbar für Elektronik, Fahrzeuganwendungen und erneuerbare Energien. Erfahren Sie mehr über ihre Vorteile und Anwendungen.
Lithiumbatterien verwenden metallisches Lithium als aktives Material der negativen Elektrode. Dieses Element besitzt ein Standardpotential von etwa −3,05 Volt, was das niedrigste aller chemischen Elemente und fast aller Redoxpaare darstellt und eine besonders hohe Zellspannung ermöglicht. Die theoretisch hohe spezifische Kapazität von \(3,86 \, \mathrm{Ah/g}\) macht Lithium zu einem idealen Werkstoff für negative Elektroden in Primärzellen[1]. Die hohe Reaktivität von elementarem Lithium (beispielsweise mit Wasser oder bereits mit feuchter Luft) erfordert jedoch eine luft- und wasserdichte Zellkonstruktion sowie den Einsatz ausschließlich nichtwässriger, aprotischer Elektrolyte.
Der Elektrolyt in Lithiumbatterien besteht typischerweise aus aprotischen Lösungsmitteln wie Propylencarbonat, Acetonitril oder Dimethoxyethan. Diese müssen wasserfrei sein, da Lithium mit Wasser sofort reagiert. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit werden wasserfreie Elektrolytsalze wie Lithiumperchlorat (\( \mathrm{LiClO_4} \)) zugesetzt[1].
Die positive Elektrode besteht je nach Batterietyp aus unterschiedlichen Oxidationsmitteln. Am häufigsten wird Mangandioxid verwendet, gefolgt von Graphitfluorid bei speziellen Varianten wie der Lithium-Kohlenstoffmonofluorid-Batterie. Letztere findet beispielsweise Anwendung in Herzschrittmachern[1]. Die Variation der Kathodenmaterialien beeinflusst maßgeblich die Leistungscharakteristik und Lebensdauer der Batterie.
Lithiumbatterien sind in verschiedenen Bauformen erhältlich, darunter auch Knopfzellen. Bei diesen erfolgt die Typenkennzeichnung nach genormten Standards wie IEC oder JIS. Ein Beispiel ist die CR2354-Zelle, welche eine modifizierte Version des JIS-Typs mit einer kleinen Absatzstufe am Minuspolrand darstellt[1].
Lithium-Mangandioxid-Knopfzellen vom CR-Typ verwenden meist Dimethoxyethan als Elektrolyt. Diese Substanz ist als SVHC (Substance of Very High Concern) gemäß REACH eingestuft und darf in Konzentrationen über \(0{,}1\,\%\) nur unter besonderen Auflagen verkauft werden. Hersteller und Vertreiber müssen seit dem \(5.\) Januar \(2021\) alle Produkte mit diesem Elektrolyttyp in der europäischen SCIP-Datenbank melden[1].
Bei Verwendung von Graphitfluorid anstelle von Mangandioxid lautet die Typbezeichnung nicht „CR“, sondern „BR“. Aufgrund ihres größeren Durchmessers und ihrer höheren Spannung stellen Lithium-Knopfzellen ein erhöhtes Risiko beim Verschlucken dar. Daher sind spezielle Sicherheitsmaßnahmen wie kindersichere Verpackungen und Warnhinweise ab einem bestimmten Durchmesser vorgeschrieben[1].
Lithiumbatterien zeichnen sich durch eine höhere Energiedichte und spezifische Energie im Vergleich zu anderen Primärzellen mit wässrigen Elektrolyten aus – beispielsweise Alkali-Mangan- oder Zink-Kohle-Batterien[1]. Die Zellspannung liegt aufgrund des niedrigen Standardpotentials von Lithium deutlich über konventionellen Systemen.
Die Selbstentladung ist sehr gering, was eine lange Lagerfähigkeit erlaubt. Zudem können sie über einen weiten Temperaturbereich gelagert und betrieben werden, was sie für viele Anwendungen prädestiniert.
Lithiumbatterien gelten als Gefahrgut der Klasse 9 mit den folgenden UN-Nummern:
- UN 3090: Lithium-Metall-Batterien
- UN 3091: Lithium-Metall-Batterien in Ausrüstung oder Lithium-Metall-Batterien, mit Ausrüstung verpackt
- UN 3480: Lithium-Ionen-Batterien
- UN 3481: Lithium-Ionen-Batterien in Ausrüstung oder Lithium-Ionen-Batterien, mit Ausrüstung verpackt[1]
Für kleine Lithiumbatterien gelten erleichterte Vorschriften:
- Lithium-Ionen-Zellen mit einer Nennenergie von höchstens \(20\, \mathrm{Wh}\)
- Lithium-Ionen-Batterien mit einer Nennenergie von höchstens \(100\, \mathrm{Wh}\)
- Lithium-Metall-Zellen mit einem Lithium-Gehalt von höchstens \(1\, \mathrm{g}\)
- Lithium-Metall-Batterien mit einem Lithium-Gehalt von höchstens \(2\, \mathrm{g}\)[1]
Diese Grenzwerte sind entscheidend für den sicheren Versand per Luftfracht gemäß den IATA Dangerous Goods Regulations sowie für Straßenverkehr (ADR) und Schienenverkehr (RID). Für kleine Batterien gibt es Sonderregelungen wie die Sondervorschrift 188 im ADR[1].
Die Vielzahl an Bauformen erlaubt den Einsatz von Lithiumbatterien in breitgefächerten Bereichen – von medizinischen Geräten über Uhren bis hin zu elektronischen Autoschlüsseln[3]. Ihre hohe Energiedichte bei vergleichsweise geringem Gewicht hat sie insbesondere für portable Elektronik attraktiv gemacht.
Festelektrolyte finden sich vor allem in speziellen LiI2-Zellen; ansonsten dominieren flüssige Elektrolyte zusammen mit Separatoren das Feld[1]. Die Wahl des Elektrolyten beeinflusst sowohl die Sicherheit als auch die Leistungsfähigkeit der Batterie.
Die thermodynamische Stabilität wird durch die Kombination aus metallischem Lithium an der Anode und einem geeigneten Kathodenmaterial gewährleistet. Durch den Einsatz nichtwässriger Elektrolyte wird die Gefahr exothermer Reaktionen mit Wasser minimiert.
Dennoch bleibt das Brandrisiko hoch bei mechanischer Beschädigung oder unsachgemäßer Handhabung wegen der hohen Reaktivität von elementarem Lithium. Der Transport unterliegt daher strengen Sicherheitsvorschriften zur Vermeidung von Kurzschlüssen oder thermischem Durchgehen.
Lithiumbatterien kombinieren eine außergewöhnlich hohe Zellspannung durch das Standardpotential von Lithium mit einer theoretischen spezifischen Kapazität von \(3,86 \,\mathrm{Ah/g}\) des metallischen Lithiums. Diese Eigenschaften machen sie trotz ihrer Anforderungen an luftdichte Konstruktionen und spezielle nichtwässrige Elektrolyte unverzichtbar für zahlreiche Anwendungen mit hohen Anforderungen an Energiedichte, Gewicht und Langzeitlagerung.
Ihr sicherer Transport ist durch internationale Klassifikationen geregelt, wobei besonders kleine Zellen erleichterten Vorschriften unterliegen. Die Vielfalt an Kathodenmaterialien erlaubt zudem eine Anpassung an spezifische Bedürfnisse hinsichtlich Leistung und Sicherheit.
Die Entwicklung begann in den 1960er Jahren und hat seitdem kontinuierlich Fortschritte gemacht – insbesondere bezüglich Materialien für Elektrolyt und Kathode sowie hinsichtlich sicherheitstechnischer Maßnahmen bei Knopfzellen[1].
[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Lithiumbatterie
[2] https://www.cell.com/cell-press-blue/fulltext/S3051-3839(26)00008-3
[3] https://simple.wikipedia.org/wiki/Lithium_battery
[4] https://www.flashbattery.tech/en/blog/research-development-flash-b...
[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S3051383926000083
Zusammenfassung wird erstellt…